玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的力學及路用性能研究

呂 珩

(鄭州市公路工程公司，河南 鄭州 450000)

隨著我國社會經濟水平的大幅提高，居民汽車擁有量日益增多，隨之產生了大量的廢舊橡膠輪胎處理問題，因橡膠輪胎屬于一種化學材料，其在自然環境下難以降解，如若采取焚燒或埋置處理則會造成嚴重的空氣和地下水污染[1-3]。將廢舊橡膠輪胎加工制成膠粉并用來改善瀝青路面的使用性能，是現階段解決廢舊輪胎的主要途徑，故橡膠瀝青混凝土在道路工程建設中被廣泛應用[4-5]。近年來，國內交通重載軸載現象日漸嚴重，使得普通的橡膠瀝青混凝土路面易發生車轍、開裂、擁包、坑槽等病害，給道路的服役質量及使用壽命造成嚴重影響[6-7]。為了改善橡膠瀝青混凝土的使用性能，國內道路工作者對此展開了不少研究，并取得一定的研究成果，考慮到纖維對瀝青混凝土的改性效果良好，而其在橡膠瀝青方面運用尚少[8-10]。基于此，本文通過將不同摻量的玻璃纖維摻入橡膠瀝青混凝土中進行改性，采用室內單軸壓縮試驗、高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及小梁疲勞試驗，探究了玻璃纖維摻量對橡膠瀝青混凝土力學性能及路用性能的影響規律，旨為道路工程橡膠瀝青混凝土的設計及應用提供參考與借鑒。

1 試驗原材料及方案

1.1 原材料

（1）瀝青：選用橡膠改性瀝青，經檢測各項性能指標（見表1）均滿足橡膠瀝青路面技術標準（CJJ/T 273-2019）的要求。

表1 橡膠改性瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of rubber-modified asphalt

（2）集料：選用玄武巖碎石，表觀相對密度為2.735g·cm-3，壓碎值為13.2%，磨耗值為18.6%，吸水率為1.25%，堅固性為3.7%，針片狀顆粒含量為5.28%，所用集料的各項性能指標都符合公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40-2017）的要求。

（3）礦粉：選用石灰石礦粉，外觀無結團，表觀密度為2.731g·cm-3，含水量為0.238%，親水系數為0.6，塑性指數為2%，安定性良好。

（4）纖維：選用短切玻璃纖維，其各項性能指標見表2。

表2 玻璃纖維技術指標Table 2 Technical indicators of glass fiber

1.2 試驗方案

橡膠瀝青混凝土采用AC-13級配進行設計，試驗采用外摻法分別將0.1%、0.2%、0.3%、0.4%（質量分數）的玻璃纖維摻入普通橡膠瀝青混凝土中，采用單軸壓縮試驗、高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及小梁疲勞試驗綜合評價玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的力學性能與路用性能。按照JTG F40-2017，以細粒式瀝青混凝土AC-13的初始油石比5.0%為基礎，采用0.5%區間變異法制備橡膠瀝青混凝土的馬歇爾試件，并通過馬歇爾試驗確定各橡膠瀝青混凝土的最佳配合比以及最佳瀝青用量，相關試驗結果見表3。

表3 玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土馬歇爾試驗結果Table 3 Marshall test results of glass fiber modified rubber asphalt concrete

根據表3可知，不同玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的孔隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩定度及流值等指標均滿足JTG F40-2017的要求。隨著玻璃纖維摻量的增大，橡膠瀝青混凝土的最佳油石比逐漸增大，瀝青混凝土中摻入的玻璃纖維越多，被吸附的瀝青也就越多，使得瀝青用量隨之有所增加，而瀝青用量的增多，致使橡膠瀝青混凝土的流值呈上升趨勢，即摻入玻璃纖維能夠有效改善瀝青混凝土的抗變形能力；適宜的玻璃纖維均勻分散在瀝青混凝土中形成穩定的網狀結構，而過多的玻璃纖維容易產生堆積或結團現象，使得瀝青混凝土的均勻性被約束，故孔隙率在一定程度后隨著玻璃纖維摻量的增加呈上升趨勢；橡膠瀝青混凝土的馬歇爾穩定度隨著玻璃纖維摻量的增加呈先增大后減小變化，由于玻璃纖維具有加筋、分散及傳遞等作用，因此適宜玻璃纖維有利于提高瀝青混凝土的穩定度，但玻璃纖維過量則會限制荷載分散與傳遞，故而降低了混合料的穩定度。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的力學性能通過單軸壓縮試驗進行評價，相關試驗結果如圖1所示。

圖1 橡膠瀝青混凝土力學性能試驗結果Fig.1 Mechanical properties test results of rubber asphalt concrete

由圖1可知，隨著玻璃纖維摻量的增加，橡膠瀝青混凝土的抗壓強度和抗壓回彈模量均呈先增大后減小變化，其中當玻璃纖維摻量為0%時，瀝青混凝土的抗壓強度和抗壓回彈模量分別為9.79MPa和1.594×103MPa，而當玻璃纖維增至0.3%時，瀝青混凝土的抗壓強度和抗壓回彈模量分別增至9.91MPa和2.073×103MPa，相較于未摻纖維兩者分別增長了1.2%和30.1%，說明摻入適量的玻璃纖維能在瀝青混凝土中形成穩定的三維網狀結構，有利于提高瀝青混凝土的力學性能；但當玻璃纖維摻量繼續增至0.4%時，瀝青混凝土的抗壓強度和抗壓回彈模量均有所減小，原因是過量的纖維摻入增大瀝青混凝土的孔隙率，削弱了瀝青膠漿和集料間的黏結性，從而降低瀝青混凝土的力學強度。

2.2 高溫穩定性

不同玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的高溫車轍試驗結果如圖2所示。

圖2 橡膠瀝青混凝土高溫車轍試驗結果Fig. 2 High-temperature rut test results of rubber asphalt concrete

根據圖2可知，橡膠瀝青混凝土的動穩定度隨著玻璃纖維摻量的增加呈先增大后減小變化，其中當玻璃纖維摻量由0%增至0.3%時，瀝青混凝土的動穩定度增長了37.8%左右，說明玻璃纖維摻入能有效提高橡膠瀝青混凝土的動穩定度，原因是玻璃纖維分散加筋于瀝青混凝土中形成縱橫交錯的網狀結構，限制了集料的滑移，從而提升瀝青混凝土的高溫抗車轍性能；而當玻璃纖維繼續增至0.4%時，橡膠瀝青混凝土的動穩定度略有降低，但較于未摻纖維仍有一定程度的提高，原因是纖維過量產生堆積或結團現象，導致瀝青混凝土的孔隙率增大，瀝青膠漿與集料間的相互作用力逐漸減小，故而降低了瀝青混凝土的高溫穩定性能。

2.3 低溫抗裂性

通過采用標準小梁試件進行低溫彎曲試驗，得到不同玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的破壞彎拉強度和彎曲極限應變變化曲線如圖3所示。

圖3 橡膠瀝青混凝土低溫小梁彎曲試驗結果Fig. 3 Low-temperature trabecular bending test results of rubber asphalt concrete

由圖3可知，隨著玻璃纖維摻量的增加，橡膠瀝青混凝土的破壞彎拉強度和彎曲極限應變均呈先增大后減小變化。在低溫環境下小梁試件發生彎曲破壞的原因主要表現為顆粒界面處產生拉伸裂紋，若在裂紋發展過程中遇到大顆粒，則易引發結構產生剪切破壞，而摻入適宜的玻璃纖維能夠提高瀝青與集料間的界面強度，有利于提升瀝青混凝土的抗拉強度，同時玻璃纖維具有分散、橋接及阻裂等作用，可抑制結構裂紋的產生及發展，因此增強了瀝青混凝土的低溫抗開裂性能。

2.4 水穩定性

不同玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果如圖4所示。

圖4 橡膠瀝青混凝土水穩定性試驗結果Fig. 4 Water stability test results of rubber asphalt concrete

根據圖4可知，橡膠瀝青混凝土的凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度均隨著玻璃纖維摻量的增加逐漸增大，其中當玻璃纖維摻量由0%增至0.3%時，瀝青混凝土的凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度增幅比較明顯，而當玻璃纖維摻量繼續增至0.4%時，凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度的增幅則表現較微。因玻璃纖維具有良好的吸附、橋接及阻裂等作用，能有效抵消水膨脹產生的力，可吸附瀝青中的輕組分，從而增加了瀝青與集料間界面膜的抗水損剝離能力，因此有利于提高瀝青混凝土的水穩定性能。

2.5 疲勞性能

通過采用控制應力比的方式開展室內小梁疲勞試驗，得到不同玻璃纖維改性橡膠瀝青混凝土的疲勞壽命次數變化曲線如圖5所示。

圖5 橡膠瀝青混凝土小梁疲勞試驗結果Fig. 5 Trabecular beam fatigue test results of rubber asphalt concrete

從圖5可以看出，隨著玻璃纖維摻量的增加，橡膠瀝青混凝土的疲勞壽命呈先增大后減小變化。當玻璃纖維為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%時，瀝青混凝土的疲勞壽命較未摻纖維分別增大了14.5%、35.5%、55.6%、30.7%，說明瀝青混凝土疲勞壽命并非與玻璃纖維摻量成正比關系，摻入合理比例的玻璃纖維能夠有效提升瀝青混凝土的抗疲勞耐久性，原因是玻璃纖維均勻分散在橡膠瀝青混凝土中形成三維網狀結構，起到了良好的加筋、增韌與阻裂等作用，促進了結構應力的分散與傳遞，故而增強瀝青混凝土的抗疲勞耐久性能。

3 結論

（1）隨著玻璃纖維摻量的增加，橡膠瀝青混凝土的抗壓強度、動穩定度、破壞彎拉強度、彎曲極限應變以及疲勞壽命均呈先增大后減小變化，摻入合理比例的玻璃纖維有利于改善橡膠瀝青混凝土的力學性能、高溫穩定性能、低溫抗裂性能以及疲勞耐久性能。

（2）橡膠瀝青混凝土的凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度均隨著玻璃纖維摻量的增加逐漸增大，玻璃纖維的摻入能夠有效提升橡膠瀝青混凝土的水穩定性能。

（3）綜合橡膠瀝青混凝土的力學性能及路用性能試驗結果，推薦采用摻量為0.3%的玻璃纖維改性，有利于更好提升橡膠瀝青混凝土的服役質量及使用性能。